Nieuw ontdekte reuzenbacterie is groter dan een fruitvlieg en heeft een erg complexe structuur

Bacteriën zijn microben - van het Griekse mikros (klein) en bios (leven) - en zoals die naam al aangeeft, worden ze verondersteld erg klein te zijn en alleen zichtbaar met een microscoop.

Toen marien bioloog Olivier Gros zo'n 10 jaar geleden dan ook vreemde, 1 tot 2 cm lange draadachtige organismen ontdekte op de rottende bladeren van mangroves in een moeras in Guadeloupe, dacht hij niet aan bacteriën.

Pas 5 jaar later kwamen hij en zijn collega's tot de vaststelling dat elk van de dunne draden een eencellige reuzenbacterie was, zo'n 5.000 keer groter dan de gemiddelde bacterie, die doorgaans zo'n 2 micrometer (0,002 mm) groot zijn.  

Er waren al wel reuzenbacteriën bekend, zoals de zwavel etende Thiomargarita namibiensis, die gemiddeld zo'n 180 micrometer (0,18 mm) lang is en zelfs tot 750 micrometer (0,75 mm) kan uitgroeien. Maar ook deze reuzen zijn dwergen in vergelijking met de zowat 50 keer grotere Thiomargarita magnifica. De nieuw ontdekte bacterie was zelfs groter dan de in onderzoekslaboratoria veel gebruikte rondworm Caenorhabditis elegans en de fruitvlieg Drosophila melanogaster. 

En pas toen Jean-Marie Volland, een student van Gros, besloot de bacterie samen met een team te onderzoeken en wetenschappelijk te beschrijven, werd duidelijk dat men te maken had met een wel erg opmerkelijk specimen. 

Biologen delen alle levende wezens op in 2 grote groepen: de prokaryoten, waarin de bacteriën en de archaea - eencellige microben - zitten en de eukaryoten, waarvan gisten, protisten, schimmels, planten en dieren deel uitmaken. 

Het grootste verschil tussen beide groepen is dat het DNA van prokaryoten vrij in de cel ronddrijft, terwijl het bij eukaryoten in de celkern zit, een organel dat door een membraan van de rest van de cel is afgescheiden. Eukaryotische cellen hebben ook nog andere organellen met verschillende functies en ze kunnen moleculen van één organel naar een ander overbrengen. 

Lange tijd werd gedacht dat bacteriën 'zakjes met eiwitten' waren, zonder onderverdelingen, maar recent is gebleken dat ze ook organellen kunnen hebben met verschillende functies. Er was echter nog nooit een bacterie of archaebacterie gevonden die onmiskenbaar haar genetisch materiaal afscheidde van de rest van de cel, zoals dat bij de eukaryoten wel het geval is. Tot nu. 

Nadat het team met verschillende microscopische en kleuringstechnieken met zekerheid vastgesteld had dat de lange dunne draden wel degelijk één cel waren, ging men die verder onderzoeken. 

Daarbij bleek dat het DNA niet in de cel verspreid was, maar geconcentreerd was in door een membraan omgeven korreltjes, die de onderzoekers 'pepins' noemen (enkelvoud 'pepin'). Daarin bleken ook ribosomen te zitten, de 'fabriekjes' die in een cel een hoofdrol spelen bij het maken van de eiwitten. 

Die afzondering van het DNA en de ribosomen lijkt op wat we vinden in eukaryotische cellen en het is een nieuwe celstructuur die nog niet eerder gezien was bij de bacteriën. 

Verder bleek nog dat Thiomargarita magnifica zoals de andere, eerder beschreven reuzenbacteriën, polyploïde is - veel verschillende kopieën van het genoom bevat - en voor een bacterie een erg groot genoom heeft met veel genen.  

Thiomargarita magnifica bleek nog een ander organel te bevatten, een groot zelfs. Het gaat om een 'zak' die waarschijnlijk voor het grootste deel met water gevuld is en die 73 procent van het volume van de cel inneemt. 

Iets dergelijks werd eerder al gevonden bij de andere zwavel etende reuzenbacterie Thiomargarita namibiensis en het is waarschijnlijk daardoor dat deze bacteriën zo groot zijn kunnen worden. 

Wetenschappers gaan er namelijk van uit dat bacteriën wel klein moeten zijn omdat ze voor hun vitale functies - eten, ademen, het uitscheiden van afvalstoffen - afhankelijk zijn van de diffusie van moleculen doorheen het binnenste van de cel. En er zijn grenzen aan hoe ver die moleculen op eigen houtje kunnen geraken. 

Doordat dit organel met water zo groot is, spelen die functies zich enkel af in de kleine ruimte tussen het organel en het buitenmembraan van de cel en kunnen de moleculen wel overal geraken waar ze nodig zijn. 

Thiomargarita magnifica heeft ten slotte nog een aantal opvallende eigenschappen, zoals de vorming van 'dochtercellen', die slechts een beperkt aantal kopieën van het genoom meekrijgen, door insnoering aan een van de uiteinden van de 'moeder' en het feit dat de bacterie, ondanks haar grootte, vrij lijkt te zijn van epibiotische bacteriën - bacteriën die op haar buitenkant leven. Dat kan het gevolg zijn van het feit dat Thiomargarita magnifica een groot aantal genen heeft die actief zijn bij het aanmaken van antibiotische verbindingen, antibiotica. 

Het lijkt erop dat Thiomargarita magnifica de grenzen tussen prokaryoten en eukaryoten doet vervagen met zijn organellen waarin het DNA zit en ook in andere opzichten is de bacterie uitzonderlijk. 

In een beschouwend artikel in Science over de bacterie en de studie van het team reageren wetenschappers die niet aan de studie hebben meegewerkt, dan ook verbaasd en enthousiast. 

"Als het over bacteriën gaat, zeg ik nooit nooit, maar deze verlegt met een factor 10 de limiet van wat we dachten dat mogelijk was voor de grootte van bacteriën", zei Verena Carvalho, een microbioloog aan de University of Massachusetts die de zwavel etende reuzenbacteriën bestudeert. 

Zij zei ook dat de ontdekking van de organellen met DNA impliceert dat het verschil tussen de twee grote groepen van het leven niet zo groot is als gedacht werd. Iets waarmee Petra Levin, een microbioloog aan de Washington University het eens is: "Misschien wordt het tijd om onze definitie van eukaryoot en prokaryoot opnieuw te bekijken", zei ze. "Het is een supercool verhaal."

Kazuhiro Takemoto, een computationeel bioloog aan het Kyushu Instituut voor Technologie in Japan, zei dat deze bacterie "de ontbrekende schakel in de evolutie van complexe cellen" zou kunnen zijn. 

Dat laatste houdt ook de auteurs van de studie bezig. De oorsprong van biologische complexiteit is een van de belangrijkste onbeantwoorde vragen in de biologie, zo stellen ze. 

Vooringenomenheid in verband met de grootte van virussen heeft meer dan een eeuw lang de ontdekking van de reuzenvirussen verhinderd, zeggen de auteurs, en de ontdekking van Thiomargarita magnifica suggereert dat grote en complexe bacteriën mogelijk verborgen zitten in het volle zicht.  

Een onderzoek van hun zeldzame biologische eigenschappen, hun energiemetabolisme en de aard van hun organellen, zal ons dichter brengen bij een beter inzicht in de evolutie van de biologische complexiteit, aldus de auteurs. 

Een preprint van de studie van Volland en het team, die dus nog niet is nagelezen door vakgenoten, is verschenen op bioRxiv. Dit artikel is gebaseerd op de studie en het beschouwend artikel in Science.